(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を有する電子部品と、
前記電子部品を挟圧するように配置され、内部に冷却媒体を流通させる一対の冷却チューブと、
を備える両面冷却型半導体装置であって、
前記電子部品は、
前記半導体素子と、
前記半導体素子を挟持するように配置され、それぞれの両側の外面に第２凸状部を有する一対の放熱板と、
一対の前記放熱板の外側を挟持するように且つそれぞれの前記第２凸状部に当接して配置され、それぞれの両側の外面に第１凸状部を有する一対の絶縁部材と、
を備え、
一対の前記冷却チューブは、前記第１凸状部に当接し前記第１凸状部に対応した凹状部を形成し、一対の前記絶縁部材の外側を挟圧するように配置され、
前記第１凸状部は、前記半導体素子の一面を正面に見た場合に、前記第２凸状部と同等形状に形成されていることを特徴とする両面冷却型半導体装置。
【請求項２】
前記第１凸状部及び前記第２凸状部の凸面は、矩形状からなり、
前記第１凸状部の凸面のそれぞれの輪郭辺長は、前記第２凸状部の凸面のそれぞれの輪郭辺長と同等である請求項１記載の両面冷却型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールを両面から冷却する両面冷却型半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷却性能を向上するために、半導体モジュールを両面から冷却する両面冷却型半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この両面冷却型半導体装置は、半導体モジュールの両面側に一対の絶縁板及び一対の熱伝導性スペーサを配置し、当該一対の絶縁板及び一対の熱伝導性スペーサを冷却チューブで挟持するように配置する構成からなる。
【０００３】
このような、両面冷却型半導体装置では、一対の冷却チューブにより、半導体モジュール及び絶縁板などを挟圧している。これにより、冷却チューブと冷却チューブに当接する部材（上記においては、熱伝導性スペーサ）との密着性を向上させ、十分な冷却性能を確保している。
【特許文献１】特開２００１−３５２０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、冷却チューブに当接する部材の当接面積は、半導体モジュールの両面の面積よりも非常に大きく形成されている。確かに、冷却チューブに当接する部材の当接面積を大きくすることで、熱伝導性を向上することにより、冷却性能を向上することはできる。
【０００５】
しかし、両面冷却型半導体装置における冷却性能は、冷却チューブに当接する部材の当接面積を十分に確保することに加えて、冷却チューブと冷却チューブに当接する部材との密着性が影響する。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、冷却チューブと冷却チューブに当接する部材との密着性を向上することにより、より冷却性能を向上することができる両面冷却型半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の両面冷却型半導体装置は、半導体素子を有する電子部品と、電子部品を挟圧するように配置され、内部に冷却媒体を流通させる一対の冷却チューブとを備える。そして、電子部品は、半導体素子と、半導体素子を挟持するように配置され、それぞれの両側の外面に第２凸状部を有する一対の放熱板と、一対の放熱板の外側を挟持するように且つそれぞれの第２凸状部に当接して配置され、それぞれの両側の外面に第１凸状部を有する一対の絶縁部材とを備える。一対の冷却チューブは、第１凸状部に当接し第１凸状部に対応した凹状部を形成し、一対の絶縁部材の外側を挟圧するように配置される。第１凸状部は、半導体素子の一面を正面に見た場合に、第２凸状部と同等形状に形成されている。
【０００８】
この本発明の両面冷却型半導体装置は、従来の装置に比べて、主として、冷却チューブに当接する部分が凸状に形成されている点が相違する。このように、電子部品が第１凸状部を有することで、電子部品と冷却チューブとの当接面積が減少することになる。
【０００９】
ところで、両面冷却型半導体装置では、電子部品と冷却チューブとを確実に当接させるために、冷却チューブにより電子部品側を挟圧している。この場合、上述したように、電子部品が第１凸状部を有することで、当該第１凸状部と冷却チューブとが相互に押圧し合うことになる。そして、電子部品と冷却チューブとが相互に押圧する力が従来と同等の場合、本発明のように第１凸状部を有することで、電子部品と冷却チューブとが相互に押圧する応力が従来に比べて大きくなる。つまり、電子部品と冷却チューブとの密着性が向上する。その結果、冷却性能が向上する。
【００１０】
また、上述した電子部品は、半導体素子を有する半導体モジュールと、半導体モジュールを挟持するように配置され、第１凸状部を有する一対の絶縁部材とを備える。つまり、絶縁部材による十分な絶縁性を確保しつつ、冷却性能を向上することができる。
【００１１】
ここで、電子部品が、半導体モジュールと絶縁部材とを有する場合には、半導体素子が発生した熱は、絶縁部材を介して冷却チューブへ伝達される。従って、半導体モジュールと絶縁部材との当接面積、及び、絶縁部材と冷却チューブとの当接面積が、冷却性能に大きく影響を及ぼす。より詳細には、半導体モジュールと絶縁部材との当接面と、絶縁部材と冷却チューブとの当接面との重複範囲の面積が、冷却性能に大きく影響を及ぼす。
【００１２】
そして、例えば、半導体モジュールが両面に第２凸状部を有し、絶縁部材が第１凸状部を有する場合には、第２凸状部の凸面と第１凸状部の凸面との重複範囲の面積が冷却性能に影響を及ぼす。
【００１３】
そこで、第１凸状部は、半導体素子の一面を正面に見た場合に、第２凸状部と同等形状に形成されている。特に、この場合、第１凸状部及び第２凸状部の凸面は、矩形状からなり、第１凸状部の凸面のそれぞれの輪郭辺長は、第２凸状部の凸面のそれぞれの輪郭辺長と同等とするとよい。これにより、半導体モジュールから絶縁部材へ伝達された熱は、十分に冷却チューブへ伝達されることになる。つまり、絶縁部材が第１凸状部を有することにより冷却チューブとの当接面積が減少するとしても、上記条件を満たすことで、確実に冷却性能を向上することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の両面冷却型半導体装置によれば、電子部品と冷却チューブとの密着性を向上することにより、より冷却性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態の両面冷却型半導体装置１について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、両面冷却型半導体装置１の正面図を示す。図２は、両面冷却型半導体装置１の右側面図を示す。以下、特に説明しない限り、上下方向とは図１及び図２の上下方向を意味し、水平方向とは図１及び図２の水平方向（横方向）を意味する。そして、冷媒流通方向とは図１の左右方向（図２の前後方向）を意味し、チューブ幅方向とは図１の前後方向（図２の左右方向）を意味する。
【００２４】
図１及び図２に示すように、両面冷却型半導体装置１は、半導体モジュール１０と、一対の絶縁部材２０、３０と、一対の冷却チューブ４０、５０と、放熱グリス６１〜６４とから構成される。
【００２５】
半導体モジュール１０は、扁平矩形状の樹脂ケース１１と、半導体素子１２と、複数の端子１３・・１３と、一対の放熱板１４、１５とを備える。半導体素子１２は、扁平矩形状からなり、例えば、電力変換回路を構成するＩＧＢＴ素子などである。この半導体素子１２は、樹脂ケース１１の内部に配置されている。複数の端子１３・・１３は、半導体素子１２に電気的に接続されている。そして、これら複数の端子１３・・１３は、樹脂ケース１２の図２の左右側面から外側へ水平方向に延在する。これらの端子１３・・１３は、他の電気部品に接続される。
【００２６】
一対の放熱板１４、１５（第１の放熱板１４及び第２の放熱板１５）は、それぞれ、金属からなり、樹脂ケース１１よりも小さな扁平矩形状からなる。具体的には、それぞれの放熱板１４、１５の冷媒流通方向の幅（本発明における輪郭辺長）はＨａ１であり、それぞれの放熱板１４、１５のチューブ幅方向の幅（本発明における輪郭辺長）はＨａ２である。
【００２７】
そして、一対の放熱板１４、１５は、半導体素子１２の上下側の両面を挟持するように配置されている。つまり、第１の放熱板１４は、半導体素子１２の上面に当接して配置されている。さらに、第１の放熱板１４の上面側は、樹脂ケース１１の上面よりも上側へ突出している。そして、第２の放熱板１５は、半導体素子１２の下面に当接して配置されている。さらに、第２の放熱板１５の下面側は、樹脂ケース１１の下面よりも下側に突出している。つまり、半導体モジュール１０全体として見た場合には、上側及び下側に凸状部（本発明における第２凸状部）を有する形状をなしている。この上側の凸状部は、第１の放熱板１４により形成され、下側の凸状部は、第２の放熱板１５により形成される。そして、これらの凸状部の矩形状凸面のそれぞれの輪郭辺長がＨａ１、Ｈａ２となる。
【００２８】
一対の絶縁部材２０、３０（第１の絶縁部材２０及び第２の絶縁部材３０）は、板状からなり、電気絶縁性及び良熱伝導性を備えた材料、例えば、セラミックス、エポキシ等の樹脂材料、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等からなる。この一対の絶縁部材２０、３０は、半導体素子１２及び一対の放熱板１４、１５を上下側から挟持するように配置されている。そして、この一対の絶縁部材２０、３０のそれぞれは、基板部２１と、絶縁凸部２２とを有している。
【００２９】
基板部２１は、矩形の平板状からなる。この基板部２１は、樹脂ケース１１の上面とほぼ同等の大きさからなる。そして、第１の絶縁部材２０の基板部２１の下面側は、第１の放熱板１４の上面側に当接している。ただし、当該基板部２１の下面と第１の放熱板１４の上面との間には、僅かな放熱グリス６１が介在している。また、第２の絶縁部材３０の基板部２１の上面側は、第２の放熱板１５の下面側に当接している。ただし、当該基板部２１の上面と第２の放熱板１５の下面との間には、僅かな放熱グリス６２が介在している。
【００３０】
絶縁凸部２２は、基板部２１よりも小さな矩形の平板状からなる。すなわち、絶縁凸部２２の冷媒流通方向の幅及びチューブ幅方向の幅は、基板部２１の冷媒流通方向の幅及びチューブ幅方向の幅よりも小さい。具体的には、絶縁凸部２２の冷媒流通方向の幅（本発明における輪郭辺長）はＨｂ１であり、絶縁凸部２２のチューブ幅方向の幅（本発明における輪郭辺長）はＨｂ２である。そして、絶縁凸部２２の冷媒流通方向の幅Ｈｂ１は、一対の放熱板１４、１５の冷媒流通方向の幅Ｈａ１とほぼ同等である。より詳細には、絶縁凸部２２の冷媒流通方向の幅Ｈｂ１は、一対の放熱板１４、１５の冷媒流通方向の幅Ｈａ１に対して±５％の範囲内に含まれている。また、絶縁凸部２２のチューブ幅方向の幅Ｈｂ２は、一対の放熱板１４、１５のチューブ幅方向の幅Ｈａ２とほぼ同等である。より詳細には、絶縁凸部２２のチューブ幅方向の幅Ｈｂ２は、一対の放熱板１４、１５のチューブ幅方向の幅Ｈａ２に対して±５％の範囲内に含まれている。
【００３１】
そして、第１の絶縁部材２０において、絶縁凸部２２は、基板部２１の上面側に配置されている。すなわち、第１の絶縁部材２０全体として見た場合には、上側に凸状部（本発明における第１凸状部）を有する形状をなしている。そして、この上側の凸状部は、絶縁凸部２２により形成され、当該凸状部の矩形状凸面のそれぞれの輪郭辺長がＨｂ１、Ｈｂ２である。さらに、この第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の冷媒流通方向位置及びチューブ幅方向位置は、第１の放熱板１４の冷媒流通方向位置及びチューブ幅方向位置とほぼ一致するように配置している。つまり、当該絶縁凸部２２は、第１の放熱板１４の直上に位置している。このことは、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２は、半導体素子１２の直上に位置していることになる。
【００３２】
また、第２の絶縁部材３０において、絶縁凸部２２は、基板部２１の下面側に配置されている。すなわち、第２の絶縁部材３０全体として見た場合には、下側に凸状部（本発明における第１凸状部）を有する形状をなしている。そして、この下側の凸状部は、絶縁部凸部２２により形成され、当該凸状部の矩形状凸面のそれぞれの輪郭辺長がＨｂ１、Ｈｂ２である。さらに、この第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の冷媒流通方向位置及びチューブ幅方向位置は、第２の放熱板１５の冷媒流通方向位置及びチューブ幅方向位置とほぼ一致するように配置している。つまり、当該絶縁凸部２２は、第２の放熱板１５の直下に位置している。このことは、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２は、半導体素子１２の直下に位置していることになる。
【００３３】
一対の冷却チューブ４０、５０（第１の冷却チューブ４０及び第２の冷却チューブ５０）は、アルミニウムからなる扁平状の長尺体である。この一対の冷却チューブ４０、５０は、半導体素子１２、一対の放熱板１４、１５、及び、一対の絶縁部材２０、３０を上下側から挟持するように配置されている。
【００３４】
そして、冷却チューブ４０、５０の内部には、長手方向（図１の左右方向）に向かって冷却媒体を流通させる流路４１、５１が、チューブ幅方向に複数本並列して形成されている。つまり、冷却チューブ４０、５０は、非常に薄肉な板状部材から形成されている。さらに、これらの冷却チューブ４０、５０には、絶縁部材２０、３０の絶縁凸部２２に対応する凹状部４２、５２が形成されている。
【００３５】
具体的には、第１の冷却チューブ４０の下面側には、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２に対応する第１の凹状部４２が形成されている。そして、この第１の凹状部４２に、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２が嵌め入れられた状態となっている。さらに、第１の凹状部４２の凹面には、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の凸面が当接している。ただし、第１の凹状部４２の凹面と第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２の凸面との間には、僅かな放熱グリス６３が介在している。
【００３６】
また、第２の冷却チューブ５０の下面側には、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２に対応する第２の凹状部５２が形成されている。そして、この第２の凹状部５２に、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２が嵌め入れられた状態となっている。さらに、第２の凹状部５２の凹面には、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の凸面が当接している。ただし、第２の凹状部５２の凹面と第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２の凸面との間には、僅かな放熱グリス６４が介在している。
【００３７】
ここで、上述した構成からなる両面冷却型半導体装置１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。ここで説明する製造方法とは、半導体モジュール１０及び一対の絶縁部材２０、３０が予め一体的に接合されたものと、一対の冷却チューブ４０、５０との接合に関する製造方法である。ここで、図３は、第１の製造方法を説明する図である。図３（ａ）は、前記接合前の状態を示し、図３（ｂ）は、前記接合後の状態を示す。また、図４は、第２の製造方法を説明する図である。図４（ａ）は、前記接合前の状態を示し、図４（ｂ）は、前記接合後の状態を示す。なお、図３及び図４において、第１の絶縁部材２０及び第１の冷却チューブ４０は、図示しない。
【００３８】
図３（ａ）に示すように、第１の冷却チューブ４０の下面、及び、第２の冷却チューブ５０の上面は、何れも平坦面をなしている。すなわち、この段階では、冷却チューブ４０、５０には、上述した第１の凹状部４２及び第２の凹状部５２は形成されていない。
【００３９】
そして、第２の絶縁部材３０を第２の冷却チューブ５０の上面に押圧する（本発明における加圧工程）。また、図示しないが、第１の絶縁部材２０を第１の冷却チューブ４０の下面に押圧する（本発明における加圧工程）。ここで、冷却チューブ４０、５０は、非常に薄肉の板状部材により形成されており、且つ、内部に流路５１を形成しているため、絶縁部材２０、３０よりも剛性が低い。従って、第２の絶縁部材３０を第２の冷却チューブ５０の上面に押圧することにより、図３（ｂ）に示すように、第２の冷却チューブ５０の上面に第２の凹状部５２が形成される。また、図示しないが、第１の絶縁部材２０を第１の冷却チューブ４０の下面に押圧することにより、第１の冷却チューブ４０の下面に第１の凹状部４２が形成される。
【００４０】
そして、第１の絶縁部材２０を第１の冷却チューブ４０の下面に押圧することにより、第１の絶縁部材２０と第１の冷却チューブ４０との密着性が非常に高くなる。また、第２の絶縁部材３０を第２の冷却チューブ５０の下面に押圧することにより、第２の絶縁部材３０と第２の冷却チューブ５０との密着性が非常に高くなる。これは、絶縁部材２０、３０が凸状部を有しない場合に比べると、絶縁部材２０、３０が冷却チューブ４０、５０を押圧する応力が大きくなるためである。従って、第１の絶縁部材２０から第１の冷却チューブ４０へ、及び、第２の絶縁部材３０から第２の冷却チューブ５０への熱伝導性が非常に良好となる。
【００４１】
また、半導体素子１２が発生した熱は、一対の放熱板１４、１５及び一対の絶縁部材２０、３０を介して、一対の冷却チューブ４０、５０へ伝達される。つまり、半導体素子１２から第１の冷却チューブ４０への熱伝達においては、第１の放熱板１４と第１の絶縁部材２０との当接面積と、第１の絶縁部材２０と第１の冷却チューブ４０との当接面積との重複範囲が大きいほど熱伝導性が良好となる。一方、半導体素子１２から第２の冷却チューブ５０への熱伝達においては、第２の放熱板１５と第２の絶縁部材３０との当接面積と、第２の絶縁部材３０と第２の冷却チューブ５０との当接面積との重複範囲が大きいほど熱伝導性が良好となる。
【００４２】
そして、一対の絶縁部材２０、３０の絶縁凸部２２の冷媒流通方向位置及びチューブ幅方向位置は、一対の放熱板１４、１５の冷媒流通方向位置及びチューブ幅方向位置にほぼ一致している。従って、放熱板１４、１５と絶縁部材２０、３０との当接面積と、絶縁部材２０、３０と冷却チューブ４０、５０との当接面積との重複範囲は、放熱板１４、１５の矩形状凸面の面積にほぼ等しい。これにより、十分な熱伝達面積を確保しているので、この点からも冷却性能を十分に確保できる。
【００４３】
次に、図４（ａ）（ｂ）を参照して第２の製造方法について説明する。図４（ａ）に示すように、第２の冷却チューブ５０の上面には、予め第１の基礎凹状部５３が形成されている（本発明における基礎凹状部形成工程）。この第１の基礎凹状部５３の深さは、上述した第２の凹状部５２より浅くされている。また、図示しないが、第１の冷却チューブ４０の下面には、予め第２の基礎凹状部が形成されている（本発明における基礎凹状部形成工程）。この第２の基礎凹状部の深さは、上述した第１の凹状部４２より浅くされている。さらに、第１、第２の基礎凹状部５３は、第１、第２の絶縁部材２０、３０の絶縁凸部２２に対応する形状からなる。すなわち、それぞれの冷媒流通方向の幅及びチューブ幅方向の幅は、Ｈｂ１、Ｈｂ２とほぼ同等である。
【００４４】
そして、第２の絶縁部材３０の絶縁凸部２２を第２の基礎凹状部５３へ嵌め合わせるように位置決めする。また、第１の絶縁部材２０の絶縁凸部２２を第１の基礎凹状部へ嵌め合わせるように位置決めする。
【００４５】
続いて、第２の絶縁部材３０を第２の冷却チューブ５０の上面に押圧する（本発明における加圧工程）。また、図示しないが、第１の絶縁部材２０を第１の冷却チューブ４０の下面に押圧する（本発明における加圧工程）。このように、第２の絶縁部材３０を第２の冷却チューブ５０の上面に押圧することにより、図４（ｂ）に示すように、第２の冷却チューブ５０の上面に第２の基礎凹状部５３よりも深さの深い第２の凹状部５２が形成される。また、図示しないが、第１の絶縁部材２０を第１の冷却チューブ４０の下面に押圧することにより、第１の冷却チューブ４０の下面に第１の基礎凹状部より深さの深い第１の凹状部４２が形成される。
【００４６】
このように、冷却チューブ４０、５０に予め第１、第２の基礎凹状部５３を形成することで、絶縁部材２０、３０を冷却チューブ４０、５０へ押圧する際に、両者の位置決めをすることができる。従って、押圧することによる位置ずれなどが生じることを防止できる。また、冷却チューブ４０、５０は位置によって剛性が異なるため、絶縁部材２０、３０を冷却チューブ４０、５０に押圧することによる密着性は、位置によって異なるおそれがある。しかし、上記のように位置決めすることで、密着性が確実に高くなる位置に両者を当接することができる。従って、冷却性能が向上する。
【００４７】
なお、上記実施形態においては、半導体モジュール１０は、全体として見た場合に、上下方向に凸状部を有するような形状とした。これは、一対の放熱板１４、１５が樹脂ケースよりも小さな矩形状からなるためである。そこで、放熱板１４、１５の周囲に、樹脂部材７１、７２を配置して、半導体モジュール１０全体として見た場合に、凸状部を有しない平坦な矩形状としてもよい。
【００４８】
なお、上記実施形態において、一対の絶縁部材２０、３０を有しない構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】両面冷却型半導体装置１の正面図を示す。
【図２】両面冷却型半導体装置１の右側面図を示す。
【図３】両面冷却型半導体装置１の第１の製造方法を説明する図である。
【図４】両面冷却型半導体装置１の第２の製造方法を説明する図である。
【図５】他の実施形態の両面冷却型半導体装置を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：両面冷却型半導体装置、
１０：半導体モジュール、  １１：樹脂ケース、  １２：半導体素子、
１３：端子、  １４、１５：放熱板、
２０、３０：絶縁部材、  ２１：基板部、  ２２：絶縁凸部、
４０、５０：冷却チューブ、  ４１、５１：流路、  ４２、５２：凹状部、
５３：基礎凹状部、  ６１〜６４：放熱グリス、  ７１、７２：樹脂部材
【図１】
0004535004.tif 000002
【図２】
0004535004.tif 000003
【図３】
0004535004.tif 000004
【図４】
0004535004.tif 000005
【図５】
0004535004.tif 000006